Elektromigratieprestaties van Fine-Line Cu-herverdelingslaag (RDL) voor HDFO-verpakkingen

De inkrimpingstrend van apparaten leidt tot voortdurende eisen van toenemende input/output (I/O) en circuitdichtheid, en deze behoeften stimuleren de ontwikkeling van een High-Density Fan-Out (HDFO)-pakket met fijne koperen (Cu) herverdelingslaag (RDL). Voor mobiele en netwerktoepassingen met hoge prestaties is HDFO een opkomende oplossing omdat agressieve ontwerpregels kunnen worden toegepast op HDFO in vergelijking met andere pakkettypen zoals Wafer Level Fan-Out (WLFO). HDFO maakt de assemblage van meer dan één chip in één pakket mogelijk en meestal wordt fijne Cu RDL gebruikt om de chips met elkaar te verbinden. Bovendien kan HDFO afhankelijk van de toepassing op wafer- en substraatniveau worden gemaakt, wat een betere schaalbaarheid heeft in termen van verpakkingsgrootte.

De Cu RDL in HDFO is ingebed met een diëlektrische laag zoals polyimide (PI) en brengt het signaal over tussen chips of van het substraat naar de chip. Terwijl er stroom door de Cu RDL vloeit, wordt er warmte opgehoopt in de geleider als gevolg van de opwekking van Joule-verwarming. Deze accumulatie van warmte kan prestatieverslechtering veroorzaken. Omdat de vereiste stroomdichtheid en Joule-verwarmingstemperatuur toenemen in de fijne Cu RDL-structuur, wordt dit beschouwd als een belangrijke factor voor de prestaties van HDFO-verpakkingen.

Omdat de fijne Cu RDL hoge betrouwbaarheidsprestaties zou moeten hebben, zijn onlangs verschillende structuren van RDL geïntroduceerd, zoals ingebedde sporen RDL (ETR) en Cu-sporen bedekt met anorganisch diëlektricum voor interconnectie met hoge dichtheid en betrouwbaarheidsprestaties [1, 2]. Er zijn ook veel onderzoeken uitgevoerd naar de evaluatie van de betrouwbaarheidsprestaties van fijne Cu RDL.

Elektromigratie (EM) is een van de items om de betrouwbaarheid en elektrische karakteristieke prestaties van Cu RDL te evalueren. EM is een diffusiegestuurd mechanisme waarbij de metaalatomen in de geleider geleidelijk bewegen als gevolg van de elektronenstroom. Dit massatransport van metaalatomen leidt tot de vorming van holtes aan de kathodezijde en heuveltjes aan de anodezijde van de geleider. Deze processen resulteren in het verlies van elektrische continuïteit. Het elektromigratiegedrag wordt beïnvloed door de grootte van het kenmerk, de spanningstoestand, de richting van de elektronenstroom en de teststructuur, zoals gewrichtsmetallurgie. In het geval van Cu RDL EM-testen is er niet alleen sprake van een elektronenstroomkracht, maar ook van een thermische gradiënt in de geleider, dus de EM-degradatie wordt toegeschreven aan elektrische potentiaal en thermische energie [3].

Met behulp van EM-testresultaten is het mogelijk om de maximaal toegestane stroomdichtheid of levensduur onder specifieke veldomstandigheden te voorspellen. EM-tests die onder versnelde omstandigheden worden uitgevoerd en extrapolatie op basis van de experimentele EM-gegevens kunnen worden gebruikt om de huidige of levensduurwaarden van een gebruiksscenario te schatten. Voor de berekening wordt veel gebruik gemaakt van het model van Black, dat in 1969 door James Black werd gepubliceerd. Sommige factoren in dit model worden bepaald door het fitten van het faalverdelingsmodel, zoals Weibull en lognormale verdeling. In dit artikel worden EM-karakteriserings- en faalanalyseresultaten van Cu RDL met ≤ 10 µm in een HDFO-pakket onder verschillende stroom- en temperatuuromstandigheden beschreven. Bovendien wordt de verhoogde verhouding van de geschatte maximaal toelaatbare stroom onder de verschillende gebruiksomstandigheden van bedrijfstemperatuur en levensduur geboden.

Cu RDL-structuur in HDFO-pakket

Er is een HDFO-pakket gemaakt voor Cu RDL EM-testen. De afmetingen van het pakketlichaam en de matrijs waren respectievelijk 8.5 mm x 8.5 mm en 5.6 mm x 5.6 mm. De HDFO TV heeft een meerlaagse RDL-structuur met drie lagen van 3 µm dikte en een Ti/Cu-zaadlaag voor elke RDL. Ook werd polyimide toegepast als diëlektrisch materiaal dat fijn Cu RDL omringt. Boven de RDL-structuur bevinden zich Cu-stijlbultjes, matrijzen en schimmels. Het vormtype is een vorm die de bovenkant van de matrijs bedekt. De algemene Cu RDL-structuur wordt getoond in Figuur 1.

Fig. 1: Dwarsdoorsnede van het HDFO-testvoertuig met zijn drie RDL's.

Een rechte Cu RDL met een lengte van 1000 µm en een breedte van 2 en 10 µm werd ontworpen en getest. De Cu RDL was de onderste laag (RDL3) in de HDFO. Vier Ball Grid Array (BGA)-ballen werden verbonden met de geteste Cu RDL voor stroomforcering en spanningsdetectie. Figuur 2 toont een schematische weergave van het geteste RDL-ontwerp.

Fig. 2: Cu RDL-ontwerp voor elektromigratietest. 'F' en 'S' betekenen respectievelijk stroomforcering en spanningsdetectie.

Elektromigratie testen

Het HDFO-testvoertuig werd op het testbord gemonteerd voor elektrische verbinding met het EM-testsysteem en de tweede ondervulling werd na montage op het oppervlak niet aangebracht. De Cu RDL met een breedte van 10 µm werd belast onder gelijkstroom van 7.5, 10 en 12.5 x 10⁵Een/cm² en temperatuur van 174, 179, 188 en 194°C. De Cu RDL EM-test met een breedte van 2 µm werd ook getest onder gelijkstroom 12.5 x 10⁵Een/cm² en temperatuur van 157°C. De testomstandigheden zijn aangegeven in tabel 1. Als testtemperatuur wordt beschouwd de temperatuur bij de Cu RDL. Daarom werd de oventemperatuur ingesteld door de hoeveelheid Joule-verwarming te compenseren. De kalibratie van de joule-verwarming werd bij elke spanningsstroom uitgevoerd, omdat deze afhangt van de hoeveelheid stroomdichtheid.

Voor kalibratie van de Joule-verwarming werd de weerstand gemeten bij meerdere temperaturen onder lage en spanningsstroomomstandigheden. De lage stroom wordt beschouwd als de toestand die niet-joule-verwarming genereert. De weerstandswaarde neemt toe naarmate de omgevingstemperatuur toeneemt en het weerstandsveranderingsgedrag bij lage stroomomstandigheden wordt gebruikt om de waarde van de thermische weerstandscoëfficiënt (TCR) te verkrijgen. Na de weerstandsmeting bij enkele temperatuuromstandigheden werd de hoeveelheid Joule-verwarming berekend met behulp van TCR en het weerstandsverschil tussen lage en teststroomomstandigheden. De berekende Joule-verwarmingstemperatuur van elke teststroomomstandigheid en de temperatuur bij Cu RDL met een breedte van 10 µm zijn aangegeven in tabel 2.

Tabel 1: De fijne lijn Cu RDL EM-testomstandigheden.

Tabel 2: Joule-verwarmingstemperatuur en temperatuur bij rdl. Er werden vier testomstandigheden uitgevoerd voor de fijne Cu RDL EM-test.

De EM-test ging door totdat de weerstand met 100% toenam en het criterium voor het bepalen van de tijd tot falen (TTF) voor het berekenen van de maximaal toegestane stroom werd ingesteld op een weerstandstoename van 20%. Het is bekend dat het criterium van de procentuele toename van de weerstand het meest effectief is als alle structuren een zeer vergelijkbare initiële weerstand vertonen. De aanvankelijke weerstand onder de spanningsconditie was 0.7 tot 0.8 ohm voor Cu RDL met een breedte van 10 µm, dus de waarden leken behoorlijk op elkaar. Tijdens de EM-test werd de weerstand van de Cu RDL gemeten met behulp van een 4-punts meettechniek. Voor zinvolle statistische analyse werd vastgesteld dat het aantal testmonsters 18 tot 20 bedroeg.

Naast een optische microscoop werd gefocusseerde ionenbundel (FIB) / veldemissie scanning-elektronenmicroscopie (FESEM) gebruikt voor foutanalyse om inzicht te krijgen in de degradatie tijdens de elektromigratietest. Naast beeldanalyse van bovenaf werden specifieke gebieden doorgesneden door gallium (Ga) ionenmalen om de vermindering van het Cu RDL-gebied door Cu-oxidatie en holtes waar te nemen.

Weerstandsveranderingsgedrag

Het weerstandsverhogingsgedrag van Cu RDL met een breedte van 10 µm tijdens de EM-test wordt weergegeven in figuur 3. De weerstandsverhogingstrend kan in twee verschillende modi worden verdeeld. In het beginstadium nam de weerstand gestaag toe, maar na het bereiken van een bepaald weerstandstoenamepercentage vond de weerstandsverandering snel plaats. De reden voor de twee fasen van weerstandstoename is dat de faalwijzen die dominant voorkomen bij elke stap verschillend zijn.

De verschillende levensduur per temperatuurconditie en time-to-fail (TTF)-verdeling onder dezelfde testomstandigheden worden ook aangegeven in figuur 3. Er werd geschat dat de reden voor distributie in TTF onder dezelfde omstandigheden te wijten was aan de verschillende korrelgrootte van elke Cu RDL tussen de testvoertuigen. De diffusiepaden voor Cu-metaalatomen zijn korrelgrenzen, materiaalgrensvlak en bulkmetaal, en de activeringsenergieën van elk diffusiepad zijn verschillend. Omdat de activeringsenergie van de korrelgrens of het materiaalgrensvlak lager is dan die van het bulkmetaal, is de diffusie door de korrelgrens of het materiaalgrensvlak dominanter tijdens EM. Daarom is de korrelgrootte een belangrijke factor die de TTF bepaalt tijdens EM-tests [4].

Bij de lagere stroomdichtheid van 7.5 A/cm²De meeste monsters vertoonden een lagere weerstandstoename en een vloeiendere curve vergeleken met de hoge stroomsterkte van 12.5 A/cm² zoals weergegeven in figuur 3 (c). Op basis van de resultaten werd verwacht dat deze toestand met lage stroom een ​​minder ernstige faalmodus zou kunnen hebben dan de toestand met hoge stroom, maar de faalmodus zag er niet significant verschillend uit tussen de omstandigheden met hoge en lage stroom. In een verdere studie is het de bedoeling om faalanalyses uit te voeren met betrekking tot de stappen van weerstandsveranderingsgedrag.

Aanvullende EM-testen werden uitgevoerd met Cu RDL met een breedte van 2 µm onder dezelfde stroomdichtheidsomstandigheden (12.5 x 10).⁵Een/cm²) als Cu RDL met een breedte van 10 µm en lagere temperatuuromstandigheden. De grafiek van de weerstandstoename tijdens EM-testen wordt weergegeven in figuur 4. In dit geval vertoonde het weerstandsveranderingsgedrag slechts een gestaag toegenomen weerstand, zelfs tijdens de lange testtijd tot 10 uur, wat anders was dan bij Cu RDL-gevallen met een breedte van 10 µm. Gebaseerd op het verschillende weerstandsveranderingsgedrag tussen lage en hoge temperaturen, werd vermoed dat de faalmodi bij hoge en lage temperaturen niet identiek waren. Ook wordt verwacht dat de faalwijze van Cu RDL met een breedte van 2 µm voornamelijk optrad als gevolg van de gestaag toenemende weerstandsfase.

Voor Cu RDL met een breedte van 10 µm wordt het aantal eenheden dat voldoet aan de faalcriteria van 20% en 100% weerstandstoename weergegeven in tabel 3. Alle geteste eenheden voldeden binnen 20 uur aan de faalcriteria van 8,000% en sommige eenheden vertoonden minder dan 100 uur. % weerstandstoename bij een testtijd van 10,000 uur. Omdat het aantal fouteenheden voldoende was om statistische analyses uit te voeren, werd de EM-test na 10,000 uur stopgezet. Ook zijn de EM-gegevens waarbij de weerstand met 100% is toegenomen beveiligd, zodat het mogelijk is om de maximale stroomcapaciteit te berekenen, afhankelijk van de verschillende faalcriteria.

Fig. 3: Gedrag van weerstandsverhoging tijdens EM-test van 10-micron breedte RDL, 12.5A/cm² stroom en (a) bij 174°C en (b) 194°C temperatuur en (c) 7.5A/cm² en 188°C.

Fig. 4: Gedrag van weerstandsverhoging tijdens EM-test van RDL met een breedte van 2 µm. De testomstandigheden waren een stroomdichtheid van 12.5 A/cm² en temperatuur van 157°C.

Tabel 3: Het aantal mislukte eenheden van 10-µm breedte Cu RDL voor elke toestand.

Analyse van de storingsmodus

Om het faalmechanisme van de fijne Cu RDL EM-test te begrijpen, werden een optische microscoop en FIB/FESEM gebruikt om het bovenaanzicht en de dwarsdoorsnede te observeren. Figuur 5 toont de breedte van 2 µm en 10 µm van de Cu RDL na montage op het testbord. De dikte en breedte kwamen goed overeen met de ontwerpwaarden en er waren geen afwijkingen zoals een oneffen oppervlak, holtes en delaminatie tussen Cu en PI bij Cu RDL. Zoals weergegeven in figuur 5 werd bevestigd dat de korrelgrootte in de RDL varieerde. Omdat de defecten de elektromigratieprestaties kunnen beïnvloeden, moet de kwaliteit van Cu RDL vóór de EM-test worden gecontroleerd.

Fig. 5: FIB/FESEM-afbeelding van Cu RDL na montage op het oppervlak: (a) 10 µm en (b) 2 µm breedte.

In het geval van de Cu RDL met een breedte van 10 µm werden verschillende faalwijzen waargenomen, zoals weergegeven in figuur 6. Ten eerste werden delaminatie en Cu-oxide waargenomen tussen de Cu RDL en passivatie, wat leidde tot een verkleining van het Cu RDL-oppervlak en voornamelijk werd toegeschreven aan de weerstand toeneemt. De verkleining van het Cu RDL-gebied resulteerde ook in de huidige drukte en hogere temperaturen op RDL en de EM-degradatie versnelde ook. Tijdens EM-testen werden de holtes gegenereerd als gevolg van migratie van Cu-atomen en de delaminatie leek het gevolg te zijn van de groei van de holtes langs het grensvlak tussen passivatie en Cu RDL. De exponentwaarde van de huidige dichtheid weerspiegelt welk fenomeen dominanter is tussen lege kiemvorming en groei. [5] Wat betreft de Cu-oxidelaag en de diffusie naar PI leek de Cu-diffusie versneld te worden als gevolg van de elektronenstroom en/en thermische gradiënt, omdat er bij RDL2 (niet EM getest) geen oxidelaag op de Ti/Cu-zaadlaag aanwezig is. fungeren als een barrièrelaag, zoals weergegeven in figuur 6 (b).

Tussen Cu RDL2 en PI werden alleen holtes en Cu-oxidelagen waargenomen, die het gevolg zijn van thermische spanning. Met andere woorden: de storingsmodus die bij de Cu RDL2 wordt waargenomen, kan lange tijd worden beschouwd als een opslag op hoge temperatuur (HTS).

Fig. 6: Optische microscoop en FIB/FESEM-beeld van Cu RDL met een breedte van 10 µm na test bij 12.5×10⁵A/cm2, 174°C: (a) Cu-oxide en delaminatie bij geteste RDL3 en (b) geen Cu-oxidatie op de Ti/Cu-zaadlaag bij RDL2 (niet EM getest).

In tegenstelling tot de Cu RDL met een breedte van 10 µm vertoonde de Cu RDL met een breedte van 2 µm niet de delaminatie tussen Cu RDL en PI, zoals figuur 7 laat zien. Van de minder beschadigde Cu RDL met een breedte van 2 µm wordt vermoed dat de groei van holtes langs het grensvlak tussen Cu RDL en PI resulteerde in de delaminatie die wordt weergegeven in de Cu RDL met een breedte van 10 µm. Bovendien werd overwogen dat deze delaminatie er hoofdzakelijk toe zou kunnen bijdragen dat de tweede fase een plotselinge toename van de weerstand zou laten zien. Het is de bedoeling om een ​​onderzoek uit te voeren naar 2 µm Cu RDL-elektromigratie onder de hogere stroomomstandigheden ter vergelijking van de faalmodus en parameterwaarden in de vergelijking van Black met 10 µm Cu RDL-elektromigratieresultaten. Ook wordt verwacht dat door middel van dit verdere onderzoek de faalwijze van elke weerstandsverhogingsstap zal worden bepaald.

Fig. 7: Optische microscoop en FIB/FESEM-beeld van Cu RDL met een breedte van 2 µm na test bij 12.5×10⁵Een/cm², 157°C: (a) Cu-oxide-holte op RDL3 en (b) verschillende FIB-freesassen op Cu RDL3.

Joule-verwarmingssimulatie

Om de hoeveelheid Joule-opwarming en storingslocaties te voorspellen, werd de elektrisch-thermische simulatie uitgevoerd voor Cu RDL met een breedte van 10 µm. Wanneer de hoeveelheid warmteaccumulatie in een Cu-spoor anders is, kan de ernst van de storing per locatie verschillen, omdat de EM-schade niet alleen te wijten is aan de kracht van de elektronenstroom, maar ook aan een thermische gradiënt. Zoals weergegeven in figuur 8, werden het daadwerkelijke testontwerp en de structuur van de HDFO TV en het testbord weerspiegeld in een simulatiemodel, en werd ook de effectieve thermische geleidbaarheid van elke structuur toegepast. Tabel 4 toont een ontwerp van experimenten (DOE) op basis van de oventemperatuur en de aanvoerstroom. De oventemperatuur kan worden beschouwd als een omgevingstemperatuur en de hoeveelheid Joule-verwarming zal naar verwachting variëren met de aanvoerstroom. De resultaten van de Joule-verwarmingssimulatie worden weergegeven in figuur 9. Het verschil in de Joule-verwarmingshoeveelheid tussen de simulatie- en experimentele waarde was 1.3 tot 4.2 °C, en de waarden van de twee waren vrijwel vergelijkbaar. Bovendien was de locatie met de hoogste lokale temperatuur het midden van de Cu RDL, waar de metalen pads zijn verbonden, wat goed overeenkwam met de daadwerkelijke faallocaties na de EM-test. Samenvattend kwamen de resultaten van de Joule-verwarmingssimulatie goed overeen met de daadwerkelijke EM-testresultaten in termen van Joule-verwarmingshoeveelheid en faallocaties, wat nuttig was om de EM-degradatie van Cu RDL te begrijpen en de faallocaties te voorspellen.

Fig. 8: Joule-verwarmingssimulatiemodel voor Cu RDL met een breedte van 10 µm.

Tabel 4: DOE voor simulatie van Joule-verwarming.

Fig. 9: Resultaten van de joule-verwarmingssimulatie: (a) temperatuurcontour en het punt dat de hoogste temperatuur onder de 12.5 x 10 weergeeft⁵Een/cm² en 137°C. (b) vergelijking van de Joule-verwarmingshoeveelheid tussen experiment en simulatie.

Berekening van het huidige draagvermogen

Voor het berekenen van de maximale stroom onder veldomstandigheden wordt de vergelijking van Black, die verband houdt met de tijd tot falen bij elektromigratietests, veel gebruikt.

MTTF = AJ^-n exp (Ea/Kt) (1)

Waar MTTF de gemiddelde tijd tot falen is, is A de empirische constante, J is de stroomdichtheid, n is de exponent van de stroomdichtheid, E_a is de activeringsenergie (eV), K is de constante van Boltzmann (8.62×10^-5 eV/K) en T is de temperatuur (K). Voor het bepalen van de parameter van de zwarte vergelijking, zoals A, n en E_a, moet eerst een statistische analyse worden uitgevoerd. Dit is erg belangrijk omdat een extrapolatie naar een lager faalpercentage op basis van de statistische analyseresultaten wordt gebruikt voor het schatten van de stroomdraagcapaciteit. Twee typische methoden om de EM-storingsverdeling te beschrijven zijn Weibull- en lognormale grafieken. De lognormale verdeling heeft de voorkeur bij het analyseren van het falen van metalen lijnen en via's, terwijl het Weibull-model meestal wordt gebruikt wanneer de teststructuur veel onafhankelijke elementen bevat die het falen kunnen veroorzaken, zoals een hobbel en elektromigratie van een BGA-bal. [6] Omdat de keuze van het aanpasmodel van cruciaal belang kan zijn bij het schatten van de maximale stroom in een gebruiksscenario, is er ook een onderzoek uitgevoerd naar het distributiemodel bij elektromigratie [7]. In deze studie werd een lognormale verdeling geselecteerd als passend model en de lognormale verdelingsgrafiek van Cu RDL met een breedte van 10 µm wordt weergegeven in figuur 10.

De maximale stroomdraagcapaciteit werd berekend onder de aanname dat de faalmodus hetzelfde is tussen deze test en de use case, en de vergelijking van Black geldt voor zowel versnelde test- als veldomstandigheden. De maximale stroomcapaciteit in gebruiksscenario werd geschat met behulp van vergelijking 2. In dit geval werd aangenomen dat het faalpercentage 0.1% was en kwam de waarde van 3.09 uit de Z-score van de standaard lognormale verdeling.

J = [A exp (Ea/KT – 3.09σ)/TTF]^-n              (2)

Waarbij T de gebruikstemperatuur is en TTF de verwachte levensduur in het gebruiksscenario. Voor Cu RDL met een breedte van 10 µm werden Ea en n bepaald als respectievelijk 0.74 en 1.88. Over het algemeen staan ​​de waarden van de activeringsenergie en de exponent van de stroomdichtheid bekend als respectievelijk 1 en 2. Bovendien worden de exponentwaarden van de stroomdichtheid van 2 en 1 in het algemeen beschouwd als respectievelijk door lege kiemvorming gecontroleerd en door groei gecontroleerd. In deze EM-test bleek het faalmechanisme een mix te zijn van lege kiemvorming en groei, en meer specifiek leek de lege kiemvorming dominanter te zijn. Als het faalmechanisme om bepaalde redenen, zoals een zware testconditie of een andere teststructuur, niet hetzelfde is als in dit onderzoek, kan de geschatte waarde anders zijn. Gewoonlijk neemt de waarde van de stroomdichtheidsexponent (n) toe wanneer de overbelaste toestand de EM-degradatie versnelt met Joule-verwarming.

Tabel 5 toont de toenameverhouding van de geschatte maximaal toegestane stroom vergeleken met de waarde onder de veldomstandigheden, namelijk een levensduur van 100,000 uur, een inschakelduur van 100% en een uitvalpercentage van 0.1%. De referentiewaarde ter vergelijking is een breedte van 10 µm bij 125°C, die is ingesteld op 1. Wanneer de bedrijfstemperatuur werd verlaagd van 125°C naar 110°C, werd de geschatte stroomcapaciteit verhoogd met 1.6 en 2.4 voor 10- en 15°C. 2 µm breed, respectievelijk. De faalcriteria zijn van invloed op de waarde van de maximaal toegestane stroom, dus het is belangrijk om de maximale stroomcapaciteit voor een ontwerp te selecteren. Zoals vergelijking (XNUMX) aangeeft, neemt de maximale stroom exponentieel toe – niet evenredig met de bedrijfstemperatuur. Wanneer deze huidige schattingswaarde wordt gebruikt voor het tracerenontwerp, moet er ook rekening mee worden gehouden bij de RDL-smeltstroom, omdat er een kruispunt bestaat tussen de berekende maximaal toegestane stroom en de werkelijke smeltstroom.

Fig. 10: Lognormale verdeling voor het plotten van de faalkans van Cu RDL met een breedte van 10 µm.

Tabel 5: De maximaal toegestane stroomverhouding (mA) bij verschillende veldomstandigheden. De waarde van 10 µm breedte bij 125°C is ingesteld op 1.

Conclusies

Het elektromigratiegedrag en de faalwijze van fijne-lijn Cu RDL voor fan-out-pakketten met hoge dichtheid werden in deze studie gerapporteerd. De geteste breedte van Cu RDL was 2 en 10 µm, en de weerstandstoename als gevolg van degradatie door elektromigratie was voor elke testomstandigheid verschillend. In het geval van Cu RDL met een breedte van 10 µm waren er twee fasen die verschillend weerstandsveranderingsgedrag vertoonden. In de eerste stap nam de weerstand gestaag toe en er werd holtekiemvorming en groei verwacht, aangezien dit fenomeen vooral in de eerste fase optrad. De tweede stap is een gedeelte waar de weerstand snel toenam. Deze fase werd alleen getoond in het geval van Cu RDL met een breedte van 10 µm, dat delaminatie tussen Cu RDL en PI vertoonde, anders dan de RDL met een breedte van 2 µm die bij lage temperatuur werd getest en alleen Cu-oxide en holtes vertoonde. Daarom werd geconcludeerd dat deze delaminatie als gevolg van de groei van holtes een belangrijke factor is die van invloed is op de weerstandstoename bij de tweede stap.

De waargenomen faalwijze na elektromigratie was verkleining van het Cu-oppervlak als gevolg van Cu-oxidatie en vorming/groei van holtes. Omdat ook de Cu-migratie naar PI werd waargenomen, leek deze versneld te worden als gevolg van de elektronenstroom en/en thermische gradiënt. Omdat bij de Cu RDL EM-test rekening moet worden gehouden met een thermische degradatie van PI, werd een elektrisch-thermische simulatie uitgevoerd om de zwakke positie te voorspellen die gemakkelijk beschadigd raakt. De resultaten kwamen goed overeen met de daadwerkelijke testresultaten. Bovendien was de door simulatie verkregen hoeveelheid Joule-verwarming vrijwel gelijk aan de werkelijke experimentele waarden.

Op basis van de Cu RDL EM-resultaten met een breedte van 10 µm werd de vergelijking van Black voltooid, zodat de maximale stroomdraagcapaciteit kan worden berekend. De lognormale verdeling werd gebruikt voor statistische analyse, waarbij de berekende waarde van Ea en de exponenten van de stroomdichtheid respectievelijk 0.74 en 1.88 waren. De geschatte maximale stroom onder veldomstandigheden kan nuttig zijn bij het ontwerpen van de RDL, maar er zijn enkele overwegingen zoals de werkelijke smeltstroomwaarde en de afhankelijkheid van Ea en stroomdichtheidsexponent van de faalmodus en testomstandigheden.

Erkenning

Dit onderzoek werd ondersteund door het Amkor Technology Global R&D-centrum. De auteurs willen het R&D Process/Material Research-team bedanken voor de fan-out tv-voorbereiding met hoge dichtheid. Ook dank aan de collega's van het R&D-lab die meewerkten aan de DUT-voorbereiding en faalanalyse.

Referenties

1. S. Jin, W. Do, J. Jeong, H. Cha, Y. Jeong en J. Khim, "Substrate Silicon Wafer Integrated Fan-out Technology (S-SWIFT) Packaging met Fine Pitch Embedded Trace RDL", 2022 IEEE 72e Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2022, blz. 1355-1361, doi: 10.1109/ECTC51906.2022.00218.
2. H. Kudo et al., “Demonstratie van hoge elektromigratieweerstand van verbeterde Cu-herverdelingslaag op sub-2 micron-schaal voor geavanceerde verpakking met fijne steek”, 2017 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), 2017, pp. 5-8, doi : 10.1109/ICSJ.2017.8240055.
3. C.-L. Liang, Y.-S. Lin, C.-L. Kao, D. Tarng et al., “Electromigration Reliability of Advanced High-density Fan-out Packaging with Fine-pitch 2μm/2μm L/S Cu Redisttribution Line”, IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology, pp. 1438-1445 , 2020.
4. M. Rovitto, “Electromigration Reliability Issue in Interconnects for Three-Dimensional Integration Technologies”, niet gepubliceerd.
5. M. Hauschildt et al., “Elektromigratie vroegtijdig falen, nucleatie en groeiverschijnselen in Cu en Cu(Mn) verbindingen,” 2013 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), Monterey, CA, VS, 2013, pp. 2C.1.1- 2C.1.6, doi: 10.1109/IRPS.2013.6531951.
6. JEP154, “Richtlijn voor het karakteriseren van elektromigratie van soldeerstoten onder constante stroom- en temperatuurstress”, JEDEC, 2008.
7. A. Basavalingappa, JM Passage, MY Shen en JR Lloyd, “Elektromigratie: Lognormale versus Weibull-distributie”, 2017 IEEE International Integrated Reliability Workshop (IIRW), South Lake Tahoe, CA, VS, 2017, pp. 1-4, doi: 10.1109/IIRW.2017.8361224.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://semiengineering.com/electromigration-performance-of-fine-line-cu-redistribution-layer-rdl-for-hdfo-packaging/